秸稈生物質(zhì)炭對(duì)土壤結(jié)構(gòu)體與活性碳分布、轉(zhuǎn)化酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)及小麥生長(zhǎng)的影響

姬 強(qiáng),馬媛媛,劉永剛,王 銳,孫 權(quán),*

1 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院,銀川 750021 2 寧夏農(nóng)村科技發(fā)展中心,銀川 750001

我國(guó)秸稈資源豐富,每年產(chǎn)生秸稈約6.5億t,占世界秸稈總量的30%左右[1-3]。秸稈還田作為改善土壤肥力與物理化學(xué)性狀的一種有效途徑被示范推廣。然而在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中,秸稈還田措施也暴露出了諸如病蟲害嚴(yán)重、溫室氣體排放增加、作物播種質(zhì)量下降等問(wèn)題[4-6]。

生物質(zhì)炭因其特殊的理化及生物學(xué)性質(zhì),有望在土壤質(zhì)量改良、減少溫室氣體排放、農(nóng)業(yè)廢棄生物質(zhì)資源化利用等方面發(fā)揮重要作用。廣義地來(lái)講,生物質(zhì)炭是指植物生物質(zhì)在少氧的情況下,經(jīng)高溫?zé)峤猱a(chǎn)生的一類具有高度穩(wěn)定性的芳香化固態(tài)物質(zhì)。在生物質(zhì)炭輸入條件下,土壤有機(jī)質(zhì)的變化存在著不同的研究結(jié)果。Wardle等人的研究表明,生物質(zhì)炭添加會(huì)導(dǎo)致土壤中有機(jī)質(zhì)的流失[7],而Schmidt和Noack的研究則發(fā)現(xiàn),生物質(zhì)炭對(duì)碳素的固定能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于秸稈和綠肥等有機(jī)質(zhì)[8]。生物質(zhì)炭自身的穩(wěn)定性和惰性并不意味著其是生物學(xué)惰性材料。生物質(zhì)炭能夠?yàn)槲⑸锷L(zhǎng)提供充足的反應(yīng)表面積,改善土壤強(qiáng)度、容重、土壤持水性等[9-10]。同時(shí),酶的產(chǎn)生也可以促進(jìn)生物質(zhì)炭自身芳香族結(jié)構(gòu)的降解,例如轉(zhuǎn)化酶、過(guò)氧化氫酶、木質(zhì)素氧化酶等,作為微生物的碳源利用,從而在土壤中形成有益微循環(huán)[11]。生物質(zhì)炭比表面積巨大、孔隙結(jié)構(gòu)繁多、陽(yáng)離子交換量高等自身特性,使得生物質(zhì)炭顆粒輸入土壤后易于吸附在土壤粘粒表面,改善土壤結(jié)構(gòu)[12]。生物質(zhì)炭輸入土壤后與土壤結(jié)構(gòu)體的吸附聚合規(guī)律還有待進(jìn)一步研究,這對(duì)于土壤結(jié)構(gòu)的改良和土壤肥力的提高具有重要意義。

本試驗(yàn)中,通過(guò)電鏡掃描與酶動(dòng)力學(xué)方程等方法,研究生物質(zhì)炭顆粒輸入土壤后,土壤團(tuán)聚體分布及與之相互作用、酶活性與酶動(dòng)力學(xué)、作物生長(zhǎng)的變化,探明生物質(zhì)炭輸入后與土壤結(jié)構(gòu)體的吸附聚合機(jī)理及對(duì)土壤碳素轉(zhuǎn)化和微生物活性的影響,以期為研究區(qū)域土壤結(jié)構(gòu)改良和秸稈資源的資源化利用提供理論支持。

1 研究地區(qū)與研究方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)點(diǎn)位于西北農(nóng)林科技大學(xué)南校區(qū)數(shù)控溫室試驗(yàn)區(qū)(34°15′39.17″N, 108°04′0.55″E),該地區(qū)半干旱氣候,年平均氣溫13℃,蒸散量1200 mm,年均降雨量550—650 mm。土壤質(zhì)地為粘壤,土壤容重1.32 g/cm3,SOC 7.25 g/kg,土壤全氮0.89 g/kg,速效磷8.5 mg/kg,速效鉀160 mg/kg,CaCO358 g/kg,pH 8.17。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用小麥秸稈采集于西北農(nóng)林科技大學(xué)農(nóng)作一站,秸稈基本理化性為：C,40.4%；N, 1.5%；H,6.3%。試驗(yàn)生物質(zhì)炭委托河南商丘市三利息能源有限公司利用收集的小麥秸稈在700℃下快速熱解2 h制備。生物質(zhì)炭理化性質(zhì)為：C,51.1%；N,1.7%；H,3.1%；K,0.16%；Ca,1%；Mg,0.62%；比表面積,139.7 m2/g。盆栽試驗(yàn)土壤在試驗(yàn)前過(guò)2 mm篩,生物質(zhì)炭與秸稈粉末過(guò)0.15 mm篩,兩種碳源材料與土壤充分混勻后裝盆。試驗(yàn)共包含7個(gè)處理：其中,秸稈添加水平包括：1%,3%,10%(Str1.0,Str3.0,Str10.0),為保證相同C量添加,生物質(zhì)炭添加水平為：0.8%,2.4%,8%(BC0.8,BC2.4,BC8.0),CK為無(wú)外源碳添加處理。試驗(yàn)為完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),各處理重復(fù)3次。

試驗(yàn)用盆規(guī)格：直徑25 cm,高17 cm,每盆土重3.5 kg(干土)。播種量為每盆20粒種子,發(fā)芽后定苗10株。試驗(yàn)過(guò)程中定期澆水管理以防止水分脅迫。盆栽施肥情況為：尿素 0.53 g、磷酸二氫鈣 0.35 g、氯化鉀 0.35 g。

1.3 樣品采集

采樣時(shí)間依據(jù)Lancashire的 BBCH作物模型[13]選定小麥4個(gè)不同生育期：抽葉期(leaf development)、拔節(jié)期(stem elongation)、開(kāi)花期(flowering)、成熟期(ripening)。在小麥的4個(gè)生育期采集土壤鮮樣,過(guò)2 mm篩后保存于4℃冰箱中待測(cè)。小麥?zhǔn)斋@后采集土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分級(jí)所用原狀土,土壤略潮濕時(shí),倒置花盆于鋪好的塑料紙上,輕拍盆地,土塊即可完整脫落,隨后用手掰取土塊內(nèi)部無(wú)擾動(dòng)的心土,裝于木質(zhì)盒中,避免碰撞帶回實(shí)驗(yàn)室等待測(cè)定。

1.4 測(cè)定方法與數(shù)據(jù)處理

土壤不同粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體,采用Six的濕篩法[14]進(jìn)行分級(jí)。粒級(jí)包括WSA >2,0.25—2,0.05—0.25,<0.05 mm 4個(gè)粒級(jí)。稱取100 g風(fēng)干原狀土樣,首先放于2 mm篩上浸濕10分鐘,隨后通過(guò)團(tuán)聚體分析儀進(jìn)行分級(jí),分級(jí)頻率為30 沖程/min,分級(jí)時(shí)間5 min。濕篩后,收集不同粒級(jí)團(tuán)聚體并在50℃下烘干,稱重。

生物質(zhì)炭與不同粒級(jí)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體WSA相互作用情況采用電鏡掃描觀察(JSM-6360LV Scanning Electron Microscope,JEOL Ltd., Japan),射束能量為30 kV。

溶解性有機(jī)碳(DOC)采用Ghani的方法測(cè)定[15]：秤取10 g 土壤鮮樣于100 mL超純水中震蕩30 min,隨后于10000轉(zhuǎn)速下離心15 min。離心后的土壤上清液在6 kPa壓力下過(guò)0.45 μm微孔濾膜抽濾。微生物量碳(MBC)采用熏蒸法測(cè)定：MBC含量通過(guò)熏蒸與未熏蒸土壤中的溶解有機(jī)碳差值計(jì)算(除以0.45系數(shù))。DOC與MBC分離的土壤浸提液上TOC儀(TOC-VCPH,Shimadzu Scientific Instruments, Tokyo, Japan)測(cè)定有機(jī)碳含量。

土壤轉(zhuǎn)化酶活性測(cè)定采用磷酸二氫鈉-鉬溶液比色法測(cè)定；土壤酶動(dòng)力學(xué)利用以Michaelis-Menten方程為基礎(chǔ)的經(jīng)典穩(wěn)態(tài)動(dòng)力學(xué)擬合。

式中,V為酶活性,S為底物濃度,Km為反應(yīng)常數(shù),Vmax為反應(yīng)速率。土壤轉(zhuǎn)化酶動(dòng)力學(xué),采用小麥?zhǔn)斋@期根際土樣測(cè)定,測(cè)定條件同于酶活性測(cè)定方法,底物濃度包含不同梯度,分別為：0.005、0.01、0.05、0.1 mol/L 的蔗糖溶液。

小麥不同生育期凈光合速率通過(guò)LI-6400XT光合儀(Protable Photosynthesis System,美國(guó)LI-COR)進(jìn)行測(cè)定；小麥產(chǎn)量(13.5%谷物含水量)在小麥自然風(fēng)干后稱重統(tǒng)計(jì)。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2007初步分析,數(shù)據(jù)經(jīng)正態(tài)分布檢驗(yàn)后的方差分析、多重比較(LSD法)相關(guān)性分析采用SAS 8.1軟件,相關(guān)圖形繪制采用Origin 9.0與Excel軟件。

2 結(jié)果與分析

2.1 外源碳輸入下土壤團(tuán)聚體(WSA)分布及與之相互作用

圖1 外源碳輸入下土壤各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布Fig.1 Water-stable aggregates distribution as affected by exogenous carbon applicationsBC0.8、BC2.4、BC8.0分別為生物質(zhì)炭在0.8%、2.4%、8.0%水平下添加; Str1.0、Str3.0、Str10.0分別為秸稈在1.0%、3.0%、10.0%水平下添加;CK為對(duì)照處理;不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)

外源碳輸入條件下,土壤各粒級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布情況如圖1所示。生物質(zhì)炭(BC)輸入處理下,土壤大顆粒團(tuán)聚體(>0.25 mm)相對(duì)于對(duì)照都有所增加,而小顆粒團(tuán)聚體(<0.25 mm)則呈現(xiàn)相反規(guī)律。生物質(zhì)炭在較大添加水平下(BC2.4和BC8.0),大顆粒團(tuán)聚體含量分別顯著增加了16.9%和45.8%；與之相反,生物質(zhì)炭的大量輸入(BC8.0)降低了土壤小顆粒團(tuán)聚體的分布,降幅為13.5%。秸稈碳的輸入則顯著增加了土壤中大顆粒團(tuán)聚體的形成與累積,土壤大顆粒團(tuán)聚體含量相對(duì)于對(duì)照依次顯著增加了65.1%—208%；小顆粒團(tuán)聚體含量則顯著降低了19.2%—61.5%,且變化幅度皆呈現(xiàn)出Str1.0

高溫裂解生物質(zhì)炭材料的結(jié)構(gòu)電鏡掃描如圖2所示,孔隙結(jié)構(gòu)豐富,蘊(yùn)涵巨大比表面積。本研究中生物質(zhì)炭經(jīng)粉碎并過(guò)0.15 mm篩后輸入土壤,從而使得生物質(zhì)炭可以在土壤大顆粒(>0.25 mm)和小顆粒(<0.25 mm)團(tuán)聚體中自由結(jié)合分布。在本研究的前期工作中,雖然揭示出生物質(zhì)炭的輸入促進(jìn)了土壤中大顆粒水穩(wěn)性團(tuán)聚體組分的形成,而小顆粒團(tuán)聚體組分與生物炭的吸附聚合較少[16]。然而并未對(duì)其與各粒級(jí)土壤結(jié)構(gòu)體的作用強(qiáng)弱進(jìn)一步分析。因此,在前期研究的基礎(chǔ)上,對(duì)濕篩過(guò)程水流破碎作用后的土壤結(jié)構(gòu)體進(jìn)行電鏡掃描觀測(cè)發(fā)現(xiàn),僅在>0.25mm的大顆粒團(tuán)聚體電鏡掃面圖中可捕捉到生物質(zhì)炭與土壤顆粒的結(jié)合(圖3),而在小顆粒團(tuán)聚體中則無(wú)法捕捉到兩者的吸附,表明生物質(zhì)炭與土壤>0.25mm大顆粒團(tuán)聚體的吸附聚合作用強(qiáng)于其他粒級(jí)的土壤結(jié)構(gòu)體。

圖2 生物質(zhì)炭電鏡掃描圖[16] Fig.2 Scanning electron microscope picture of biochar particles[16]

圖3 土壤大顆粒團(tuán)聚體組分中生物質(zhì)炭與土壤顆粒的吸附聚合作用Fig.3 Adsorption-chelation between soil aggregate and biochar particle in soil macro-aggregates fraction

2.2 外源碳輸入下土壤微生物量碳(MBC)和溶解性有機(jī)碳(DOC)的變化

相對(duì)于對(duì)照,生物質(zhì)炭較低添加水平下(BC0.8和BC2.4),土壤MBC含量顯著增加了9.7%—33.6%(圖4),且MBC增幅與生物質(zhì)炭輸入量成反比。生物炭過(guò)量添加條件下(BC8.0),土壤MBC含量則下降了15.6%,表明生物質(zhì)炭較低量添加可以提高土壤中微生物量碳的累積,然而當(dāng)較高熱解溫度制備的生物炭質(zhì)炭過(guò)量添加時(shí),其自身理化性狀則會(huì)對(duì)微生物代謝繁殖產(chǎn)生較強(qiáng)抑制作用。

在生物質(zhì)炭較低添加水平下(BC0.8和BC2.4),土壤DOC含量平均下降了12.6%—27.5%,且下降幅度與生物質(zhì)炭添加水平成反比。生物炭過(guò)量添加條件下(BC8.0),土壤DOC含量則增加了24.9%,這與相同處理下土壤MBC含量變化規(guī)律相反,但其表征的意義相同, DOC作為土壤微生物可以直接利用的碳源,其含量的顯著增加,表明微生物活性在生物質(zhì)炭過(guò)量輸入時(shí)受到了顯著的抑制。

在秸稈碳輸入條件下,土壤DOC與MBC含量變化規(guī)律相同,當(dāng)秸稈碳在較低輸入水平時(shí)(BC0.8和BC2.4),土壤DOC與MBC平均含量相對(duì)于對(duì)照顯著增加了21.7%—48.6%,表明較低秸稈添加量促進(jìn)了土壤微生物對(duì)碳源的利用效率；然而當(dāng)秸稈碳過(guò)量添加時(shí)(BC8.0),土壤DOC與MBC平均含量相對(duì)于對(duì)照則增加了約4倍以上,土壤中秸稈碳源的分解潛力依然較大。

圖4 外源碳輸入下小麥不同生育期土壤微生物量碳和溶解性有機(jī)碳含量Fig.4 Microbial biomass carbon and dissolved organic carbon contents affected by exogenous carbon applications in different wheat growth stages

2.3 外源碳輸入對(duì)土壤轉(zhuǎn)化酶活性及其動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響

外源碳輸入下,小麥各生育期土壤轉(zhuǎn)化酶活性變化如表1所示。在小麥生育期初期,土壤轉(zhuǎn)化酶活性相對(duì)于對(duì)照顯著增加了6.9%—41.5%,且增加幅度隨生物質(zhì)炭添加量的增加而增大(BC0.8

不同外源碳輸入后土壤轉(zhuǎn)化酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化進(jìn)一步驗(yàn)證了以上試驗(yàn)結(jié)果(表2)。相對(duì)于對(duì)照,不同生物質(zhì)炭添加水平下Km下降了15.3%—19.7%(BC2.4

表1 外源碳輸入下小麥不同生育期土壤轉(zhuǎn)化酶活性/(μg g-1 h-1)

BC0.8、BC2.4、BC8.0分別為生物質(zhì)炭在0.8%、2.4%、8.0%水平下添加;Str1.0、Str3.0、Str10.0分別為秸稈在1.0%、3.0%、10.0%水平下添加;CK為對(duì)照處理

表2 外源碳輸入下土壤轉(zhuǎn)化酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)

Km、Vmax、k分別為米氏常數(shù)、最大反應(yīng)速率、速率常數(shù)

2.4 外源碳輸入對(duì)小麥光合作用與產(chǎn)量的影響

生物質(zhì)炭或秸稈碳添加下小麥的凈光合速率,與外源碳類型緊密相關(guān)(圖5)。生物質(zhì)炭輸入顯著提高了小麥凈光合速率(18.9%—66.1%),且增幅隨生物質(zhì)炭添加量的增加而增大。生物質(zhì)炭適量輸入條件下(BC0.8和BC2.4),相對(duì)于對(duì)照,小麥產(chǎn)量分別顯著增加了14.9%和19.1%,而生物質(zhì)炭過(guò)量輸入條件下,小麥產(chǎn)量變化則不顯著。

秸稈碳源輸入條件下,隨秸稈添加量的增加,小麥凈光合速率顯著低于生物質(zhì)炭添加處理,且隨著秸稈輸入量的增加,小麥凈光合速率逐漸降低(圖5)。秸稈的適量輸入條件下(Str1和Str3),小麥凈光合速率分別顯著增加了26.0%—29.9%和18.7%—22.4%,而秸稈的過(guò)量輸入(Str10)則顯著降低了小麥的凈光合速率(20.4%)。秸稈碳源僅在較低量輸入條件下(Str1),顯著提高了小麥產(chǎn)量(6.0%),而隨著秸稈添加量的逐漸增大,小麥產(chǎn)量則顯著降低了(37.3%—90.1%),表明秸稈僅在1%的少量輸入時(shí)可以有效增加小麥產(chǎn)量,而其較大量添加則會(huì)抑制小麥生長(zhǎng)和產(chǎn)量的增長(zhǎng)。

圖5 外源碳輸入對(duì)小麥產(chǎn)量及不同生育期凈光合速率的影響Fig.5 Wheat yield and net photosynthetic rate in different wheat growth stages affected by exogenous carbon applications

2.5 外源碳輸入下土壤結(jié)構(gòu)體分布與作物生長(zhǎng)指標(biāo)間相關(guān)性

生物質(zhì)炭和秸稈碳輸入條件下,土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體、MBC、DOC與土壤轉(zhuǎn)化酶活性、小麥凈光和速率、小麥產(chǎn)量間相關(guān)性如表3所示。其中,生物質(zhì)炭添加條件下,土壤WSA>2 mm與土壤轉(zhuǎn)化酶活性極顯著正相關(guān)；土壤MBC與小麥產(chǎn)量極顯著正相關(guān)；土壤WSA 0.25—2 mm與小麥產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)關(guān)系。秸稈碳添加條件下,土壤MBC、DOC與小麥產(chǎn)量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；土壤WSA>2 mm與小麥產(chǎn)量極顯著負(fù)相關(guān)；小麥凈光和速率與土壤WSA 0.05—0.25 mm呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。

表3 外源碳輸入下土壤結(jié)構(gòu)體與作物生長(zhǎng)指標(biāo)間相關(guān)系數(shù)(n=9)

Table 3 Correlation coefficients between soil water-stable aggregate distribution and crop growth indicators in exogenous carbon applied treatments (n=9)

生物質(zhì)炭輸入處理 Biochar applied treatments>2 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體0.25—2 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體0.05—0.25 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體<0.05 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體微生物量碳溶解性有機(jī)碳土壤轉(zhuǎn)化酶活性Soil invertase activity 0.7961??0.5634-0.41620.57820.3126 0.2487凈光合速率Net photosynthetic rate-0.59840.26380.3155-0.23610.1277-0.3357小麥產(chǎn)量Wheat yield0.16390.7448?0.10250.5422 0.8169?? 0.5418秸稈碳輸入處理 Straw applied treatments>2 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體0.25—2 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體0.05—0.25 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體<0.05 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體微生物量碳溶解性有機(jī)碳土壤轉(zhuǎn)化酶活性Soil invertase 0.18850.45570.42100.24870.26170.4551凈光合速率Net photosynthetic rate0.13520.4267-0.6797?0.2231-0.1146-0.3458小麥產(chǎn)量Wheat yield-0.9407??0.22710.61650.7246?-0.8697??-0.8697??

*P<0.05; **P<0.01

3 討論

生物質(zhì)炭相對(duì)于秸稈等傳統(tǒng)有機(jī)物,具有更高的物理化學(xué)穩(wěn)定性,對(duì)土壤結(jié)構(gòu)性狀的影響也更加持久[17-18]。本研究中,生物質(zhì)炭和秸稈的輸入都顯著增加了土壤中>0.25 mm的大顆粒土壤團(tuán)聚體的形成,但生物質(zhì)炭對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的影響更加“溫和”,即時(shí)在生物質(zhì)炭較大量輸入時(shí),土壤中也未產(chǎn)生>2 mm的較大顆粒土壤團(tuán)聚體,而是形成以>0.25 mm大顆粒團(tuán)聚體為主的土壤結(jié)構(gòu)體。生物質(zhì)炭輸入下土壤結(jié)構(gòu)體的電鏡掃描結(jié)果表明,生物質(zhì)炭所具有的豐富孔隙結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其與土壤顆粒的相互作用也是穩(wěn)定的,這種相互作用即使在濕篩過(guò)程水流的破碎作用下,依然可以捕捉到兩者的結(jié)合。除此之外,本研究相關(guān)性分析結(jié)果表明生物質(zhì)炭輸入條件下,土壤0.25—2 mm大顆粒團(tuán)聚體的產(chǎn)生有助于土壤結(jié)構(gòu)的改善與小麥產(chǎn)量的增加；而秸稈的過(guò)量添加則會(huì)產(chǎn)生過(guò)大土壤團(tuán)聚體的累積,導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)惡化與小麥產(chǎn)量的降低,這也進(jìn)一步驗(yàn)證了上面的推論。秸稈碳源的輸入則導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)體主要形成以>2 mm的較大顆粒土壤團(tuán)聚體為主,土壤孔隙變大；另一方面,有機(jī)物質(zhì)具有疏水性,使得產(chǎn)生的土壤結(jié)構(gòu)體更加不易破碎,在灌溉或降雨條件下,極易產(chǎn)生土壤水分和養(yǎng)分的淋失現(xiàn)象,在連年秸稈輸入量較大的土壤上甚至?xí)斐牲S苗或死苗的現(xiàn)象。土壤團(tuán)聚體是由礦物質(zhì)與有機(jī)質(zhì)在電荷和范德瓦爾斯力作用下凝聚而成,其形成過(guò)程受土壤中有機(jī)物質(zhì)的影響較大[19]。生物質(zhì)炭由于自身所蘊(yùn)含的高陽(yáng)離子換量與芳香族物質(zhì),在添加進(jìn)土壤后,可以有效促進(jìn)土壤礦質(zhì)顆粒與生物質(zhì)炭顆粒的吸附聚合。Lin等人的研究發(fā)現(xiàn),這種凝聚作用是由生物質(zhì)炭表面芳香族物質(zhì)形成的“陽(yáng)離子橋”產(chǎn)生[20]。通過(guò)電境掃描的進(jìn)一步觀測(cè)發(fā)現(xiàn),在>0.25 mm的大顆粒團(tuán)聚體中,即使在濕篩水流的沖刷下,也無(wú)法完全破壞生物質(zhì)炭與土壤礦質(zhì)顆粒的吸附聚合作用,而其他粒級(jí)的土壤團(tuán)聚體中則無(wú)法觀測(cè)到以上現(xiàn)象。這表明生物質(zhì)炭對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改變,主要通過(guò)形成>0.25 mm的大顆粒團(tuán)聚體而實(shí)現(xiàn),該形態(tài)是生物質(zhì)炭與土壤礦質(zhì)顆粒形成的穩(wěn)定態(tài),更有助于土壤中有機(jī)物質(zhì)的固定。而秸稈碳源的大量有機(jī)質(zhì)添加帶來(lái)的疏水性,使得團(tuán)聚體的可濕性降低,更難被礦化[21-22],形成了>2mm粒級(jí)更大的土壤結(jié)構(gòu)體。

本研究表明生物質(zhì)炭較低量添加可以提高土壤中微生物碳源的累積,然而當(dāng)較高熱解溫度制備的生物炭質(zhì)炭過(guò)量添加時(shí),其自身理化性狀則會(huì)對(duì)微生物活性產(chǎn)生較強(qiáng)抑制作用。這與Demisie等的研究結(jié)果相一致,該研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)生物質(zhì)炭在低量添加條件下,土壤中MBC的含量卻為最大[23]。與之不同,在秸稈碳輸入條件下,較低的秸稈添加量促進(jìn)了土壤微生物對(duì)碳源的利用效率；當(dāng)秸稈碳過(guò)量添加時(shí),土壤中秸稈碳源的分解潛力較大,會(huì)產(chǎn)生秸稈自身降解與微生物代謝活動(dòng)之間的顯著競(jìng)爭(zhēng)作用。為了進(jìn)一步驗(yàn)證以上結(jié)論,本研究通過(guò)對(duì)不同外源碳輸入后土壤轉(zhuǎn)化酶活性及其動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律研究發(fā)現(xiàn)：在小麥生長(zhǎng)前期,生物質(zhì)炭添加會(huì)產(chǎn)生對(duì)土壤轉(zhuǎn)化酶活性的激發(fā)作用。這歸因于生物質(zhì)炭自身的多孔隙結(jié)構(gòu)成為了微生物繁殖代謝的有利小環(huán)境,有益于土壤微生物活性的提高。而在生物質(zhì)炭輸入后期隨著可被微生物直接利用碳源的逐步消耗,高熱解溫度制備的生物質(zhì)炭所蘊(yùn)含的芳香族等有害物質(zhì)則會(huì)對(duì)微生物活性產(chǎn)生顯著的抑制[24-25]。另一方面,由土壤轉(zhuǎn)化酶動(dòng)力學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律可知,生物質(zhì)炭輸入降低了土壤轉(zhuǎn)化酶-酶促反應(yīng)速率,有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化循環(huán)變緩,碳素在土壤中的存留時(shí)間變長(zhǎng)。而生物質(zhì)炭的過(guò)量添加則會(huì)造成轉(zhuǎn)化酶催化能力(Vmax/Km)降低。相對(duì)于生物質(zhì)炭,秸稈碳源的低量輸入,使得土壤轉(zhuǎn)化酶與底物的親和能力大幅增加,這歸因于秸稈碳相對(duì)于生物質(zhì)炭,其分解過(guò)程可以產(chǎn)生更多的脂肪族易降解物質(zhì),增強(qiáng)了轉(zhuǎn)化酶與底物的結(jié)合。

生物質(zhì)炭對(duì)小麥光合與產(chǎn)量的影響規(guī)律可以看出,生物質(zhì)炭在2.4%水平的適量輸入,對(duì)小麥生長(zhǎng)及產(chǎn)量的促進(jìn)作用最強(qiáng)；而其過(guò)量添加則會(huì)造成生物質(zhì)資源的大量浪費(fèi)。這是由于生物質(zhì)炭在少量輸入時(shí),其化學(xué)結(jié)構(gòu)特性有利于提高土壤對(duì)水分與養(yǎng)分的保持能力,尤其以氧化后的生物質(zhì)炭更為突出[26]。當(dāng)生物質(zhì)炭過(guò)量添加時(shí),土壤中N素供應(yīng)與C輸入的高度不對(duì)稱,造成土壤有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化緩慢,作物生長(zhǎng)受到抑制。秸稈碳適量輸入條件下,小麥的光合作用受到顯著促進(jìn),而過(guò)量輸入則會(huì)對(duì)作物生長(zhǎng)造成顯著的抑制作用。這是由于在秸稈大量添加時(shí),秸稈在分解過(guò)程中產(chǎn)生的腐殖酸物質(zhì),將尚未分解的有機(jī)物質(zhì)牢牢束縛在了更大粒級(jí)的大顆粒團(tuán)聚體中,土壤水分與養(yǎng)分向下流失嚴(yán)重,作物受干旱脅迫的風(fēng)險(xiǎn)加大,生長(zhǎng)受到抑制。王法宏等人研究表明,過(guò)量的秸稈輸入,會(huì)加劇土壤中養(yǎng)分的消耗,降低養(yǎng)分的作物有效性[27]。土壤結(jié)構(gòu)指標(biāo)與小麥生長(zhǎng)指標(biāo)間的相關(guān)性分析結(jié)果進(jìn)一步表明,生物質(zhì)炭輸入會(huì)促進(jìn)土壤轉(zhuǎn)化酶活性及>0.25 mm大顆粒團(tuán)聚體的分布,從而改善土壤結(jié)構(gòu)性狀與作物的生長(zhǎng)。而秸稈碳輸入條件下,則會(huì)導(dǎo)致>2 mm粒級(jí)的大顆粒團(tuán)聚體的形成,土壤結(jié)構(gòu)性狀惡化,易造成土壤養(yǎng)分淋失現(xiàn)象,從而抑制作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量的提高。

4 結(jié)論

(1) 生物質(zhì)炭對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的改善效果強(qiáng)于秸稈碳源。生物質(zhì)炭輸入土壤后通過(guò)增加土壤>0.25 mm粒級(jí)的大顆粒團(tuán)聚體改善土壤結(jié)構(gòu),而秸稈碳源的大量輸入則易促進(jìn)土壤>2 mm的更大顆粒團(tuán)聚體形成,使得土壤孔隙增大,造成土壤養(yǎng)分和水分的淋失,不利于土壤結(jié)構(gòu)改善。

(2) 生物質(zhì)炭添加初期對(duì)土壤轉(zhuǎn)化酶活性存在激發(fā)效應(yīng),而輸入后期降低了土壤轉(zhuǎn)化酶-酶促反應(yīng)速率,有機(jī)物質(zhì)轉(zhuǎn)化循環(huán)變緩,碳素在土壤中的存留時(shí)間變長(zhǎng)；秸稈碳源在輸入土壤初期會(huì)呈現(xiàn)出自身降解與微生物活性之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系,且不利于土壤中復(fù)雜有機(jī)物質(zhì)的產(chǎn)生。

(3) 生物質(zhì)炭和秸稈碳源的過(guò)量添加都會(huì)造成對(duì)作物生長(zhǎng)的抑制作用。其中生物質(zhì)炭過(guò)量輸入是基于對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程的抑制,而秸稈碳源的過(guò)量輸入則是基于土壤結(jié)構(gòu)的惡化和秸稈自身降解與微生物代謝之間的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。